无线数据发送电路的研究与设计_射频功率放大器的匹配

1、科技创新导报技术科技创新导报无线通信是利用电磁波信号在自由空间中传播来进行信息交换的一种通信方式。随着无线通信技术的逐渐成熟，无线通信系统在越来越多的领域得以应用。该通信方式具有通信质量较好，设备简单、建设周期短、易于实现的优点。数据的发送离不开发射电路。射频电路的好坏影响着数据质量的高低。低成本，低功耗，小体积，高性能是一个优秀射频电路的主要要求。实验硬件设计射频发射芯片是射频发射电路的主要组成部件。它可以把输入信号通过，等调制方式调制成的载有有用信号的高频载波发射出去。本章将分析发射芯片的基本结构和外围电路。发射芯片结构发射芯片主要包括压控振荡器，锁相环，功率放大器，晶体振荡器。锁相环基本

2、原理锁相环路是一个相位误差控制系统，是将参考相位与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的。锁相环是一个负反馈环路结构，由鉴相器、环路滤波器和压控振荡三部分组成。鉴相器用于比较输入信号与压控振荡器输出信号的相位输出电压是对应与这两个信号相位差的函数。发射芯片外围电路分析图是实验芯片及其外围电路。射频功率放大器功率放大器简述功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。功放有三个主要参数：最大输出功率pom ，转换效率和驻 波比。功放提供给负载的信号功率称为输出功率，表达式为。最大输

3、出功率是在电路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率。功放的最大输出功率与电源提供的直流功率之比是转换效率。直流功率等于电源输出电流平均值及电压之积。功放将电源的直流功率转化成交流信号功率输出，只有一部分直流功率被转化成为有用的信号功率并为负载所获得，另一部分被放大器以及电路中的寄生元件所消耗。为了获得最大的输入功率，需要较小的输入反射系数；为了获得高效率，通常会在输出端形成较大的驻波比。实验功放性能分析本实验中采用日本三菱公司的功率放大器，它的工作电压是。此模块式为非线性调制设计，但也可以通过控制输入电压工作在线性区域 内。根据文献可知，功放的等效电路图包括两级放大电路，匹配网络由微

4、带线和元件混合组成。微带线又称微带传输线，是用介质材料把单根带状导体与接地金属板隔离而构成。微带线的电性能，如特性阻抗、带内波长、损耗和功率容量等，与绝缘基板的介电系数、基板厚度和带状导体宽度有关。对于输入和输出都要用到特征阻抗为的微带线来进行和前极和后极的电路匹配，所以需要设计该要求的微带线。 微带线的阻抗计算公式有许多，我们来验证其中个公式的合理化程度。已知介电常数 ，板厚度，微带线厚度，求宽度 。公式一 ，代入数据有：；公式二，代入数据有：。通过计算，两个公式结果大致相同，可见都是正确的，可以通过他们在以后的设计中来计算微带线的参数，画出符合要求的电路板。功放匹配电路分析对于任何功率放大

5、器设计，输出匹配电路的性能是个关键。当功放与芯片匹配时，传输线上没有反射波，只有入射波，传输线上各处的电压幅度与电流幅度都相无线数据发送电路的研究与设计射频功率放大器的匹配朱宽胜张彦炜（南京广播电视大学江苏南京河海大学江苏南京）摘要：随着现今社会无线传感器网络在不同领域发挥愈来愈重要的作用，人们对功耗低，稳定度高，体积小型化的超短波无线发送装置的需求也越来越高。本论文首先在发射芯片的基础上，提出一种发射功率在左右的无线发送电路的实验方案。论文重点介绍高频功放的工作原理和因为射频功率放大器与发送芯片输入输出阻抗不同而引发的匹配问题。关键词：无线发送射频功率放大器中图分类号：文献标识码：文章编号：

6、（）（）作者简介： 朱宽胜（）男，汉，江苏南京人，硕士研究生研究方向：电子与通信工程 张彦炜（）男，汉，山西大同人，硕士研究生研究方向：信号与信息处理图电路科技创新导报技术科技创新导报等，传输线任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗；当功放和芯片不匹配时，功放就只能吸收上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。开始使用并联终端匹配。它是在信号源端阻抗很小的情况下，通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，达到消除负载端反射的目的。并联终端匹配后的信号传输具有以下特点：第一驱动信号近似以满幅度沿传输线传播；第二所有的反射都被匹配电阻吸收；第三负载端

7、接受到的信号幅度与源端发送的信号幅度近似相同。电阻形式的并联匹配，也被称作戴维南终端匹配，要求的电流驱动能力比单电阻形式小。并联终端匹配优点是简单易行；显而易见的缺点是会带来直流功耗如图：在图中，满足了芯片输出阻抗为，但真正进入功率放大器的信号功率并不大。设芯片输出功率，电路总电路 ，通过电流， 电流。由此可得进入功放的功率为。这种方法使大量的信号在匹配电路中损失，最后到达功放的信号可能不能达到激发功放工作的最小信号功率。所以输出匹配电路的功率损耗决定一个匹配网络性能的优劣。这些功率损耗出现在匹配网络的电容器、电感器，以及其他耗能元件中。输出匹配的具体电路不同，损耗也不一样，这里我们关心的是在

8、匹配网络中，功率以热量的形式耗散掉的损耗。效率低不仅会缩短工作时间，而且还会在散热和可靠性方面带来很大的问题。电容器的品质因数与它的电容量是成反比的。要想使输出匹配的耗散损失达到最小，那么在输出匹配中，电容的值就必须尽可能地小。折衷是在带宽和耗散损失之间做出的。对于一个功率放大器的效率而言，耗散损失是非常关键的。耗散损失的值就等于匹配网络工作功率增益的倒数，而与源阻抗的任何特性都没有关系。为了较小在匹配网络上的能量损失，我们又做了一下改进。如图：理想情况下，理相变压器初次级线圈之间的功 率相等 。 有：， 把代入公式，有：只要使初次级线圈匝数比满足条件就可以达到电路匹配，通过这种匹配网络到达功

9、率放大器两端的功率为，大大提高了工作效率。但是在设计无线发射系统总体结构时，引入一个变压器不是一个明智的选择。因为变压器的体积较大，这会增加系统的总体积，携带极不方便，而且变压器在耦合过程中，会向外泄漏大量的高频信号，这对周围的电路会产生干扰，甚至使电路因为负反馈无法正常工作。所以需要进一步集成化，低功耗的输出匹配网络。然后，我考虑使用传输线来进行阻抗匹配。在负载与传输线之间加一段（当频率为时，）的传输线就可以使其匹配。根据传输线阻抗变换特性可知变换段的 特 性阻抗为：，所以有。但这种传输线的设计十分繁琐，所以也没有被采用。输出匹配的种类很多，最终的损失也不同。在微波频谱的低端，传输线占据了太

10、多的空间，所以采用了集总元件的方法。在一个功率放大器模块的典型输出匹配电路中，使用大容量的隔直电容器来防止直流电流从功率放大器电源流到负载中去。用表面贴装电容器和印制电感器以及表面贴装电感器组成的两节低通匹配网络，可以将的名义负载阻抗转化成合适的负载线。而负载线的设置是根据指定的功率放大器输出功率和可用的电源电压。我们可以采用标准的或高值电容器。还有另一个正在逐渐流行起来的做法就是采用集成电容。在许多工艺技术（包括和）中，高品质的金属高介电质金属结构的储存电容器都是可以用的。虽然匹配网络可以不断地优化，但更好的方法是不用匹配网络，使负载和芯片直接匹配。最后，我们采用了负载为的射频功放，这样大大

11、化简了电路匹配问题，只要解决功放周围所必需的一两个元件就可以了。功放性能试验结果当电路加上实验功放时，发现传输距离并没有增加，但功放却发出大量热量。所以我们对此提出一系列问题：功放电路是否连接正确？功放发出的是否为有用信号？是否因为功放发出的信号太大，产生反馈信号，使电路发生谐振？是否因为信号频率不在功放工作范围之内？为了解决这些问题我们通过降低功放电压，使用频率计测试输出信号的频率，甚至更换宽待功率放大器等方法进行检测，结果都是功率放大器在该电路中没有起到任何作用，只是把电源的直流全部转换成热量发射出去。最后，通过查找资料发现在实验中使用的功率放大器的最小输入功率大致需要，而的最大输出功率只有。这表明芯片不能驱动功放工作，频率计检测到的和信号只是功放内部的自由谐振。所以我们决定在功放前加一个小功率放大器，提高信号功率来驱动工作。但因为时间问题并没有完成这个设计，会在以后的学习工作中逐步完善。最后在老师的帮助下，我们使用一个功率为的小功率放大器进行实验，产生了良